EP2235377B1

EP2235377B1 - Turbo molecular pump

Info

Publication number: EP2235377B1
Application number: EP08870887.0A
Authority: EP
Inventors: Heinrich Engländer
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: DE102008004297A1; US20100322799A1; JP5546464B2; JP2011510201A; TW200934957A; WO2009089958A1; CN101952602A; EP2235377A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert. Eine solche Turbomolekularpumpe ist aus der EP-A-0 770 781 bekannt.The invention relates to a turbomolecular pump as defined in the preamble of claim 1. Such a turbomolecular pump is from the EP-A-0 770 781 known.

Turbomolekularpumpen, wie beispielsweise in EP 1 498 612 beschrieben, weisen einen mit einer Antriebswelle verbundenen Rotor mit mehreren Rotorflügeln auf. Zwischen den einzelnen Rotorflügeln sind stationäre Statorscheiben angeordnet. Häufig sind die Statorscheiben nicht unmittelbar mit dem Pumpengehäuse verbunden, sondern von Statorringen getragen. Hierbei ist je Rotorflügel ein Statorring vorgesehen, wobei die Statorringe zur Montage über den Rotor gestülpt werden. Zwischen den Rotorflügeln bzw. den Rotorflügelspitzen und dem stationären Gehäuse bzw. den Statorringen muss ein Spalt vorgesehen sein. Dieser ist erforderlich, um in allen Betriebszuständen ein Berühren der Rotorflügel an den stehenden Komponenten, d.h. dem Gehäuse oder den Statorringen, zu verhindern. Hierbei muss die Breite des Spalts derart groß sein, dass in allen Betriebszuständen die auftretenden thermischen Ausdehnungen der Rotorflügel ohne Berührung der stehenden Komponenten möglich ist. Ferner muss bei der Breite des vorgesehenen Spaltes berücksichtigt werden, dass Schiefstellungen des Rotors durch die Rotordynamik auftreten können. Insbesondere bei magnetgelagerten Antriebswellen muss ferner die Auslenkung aufgrund des Spiels zu den Fanglagern berücksichtigt werden. Des Weiteren treten Dehnungen des Rotors insbesondere in radialer Richtung durch Fliehkräfte auf. Ferner müssen sich ggf. addierende Toleranzen berücksichtigt werden. Der Spalt zwischen den Rotorflügeln und dem Gehäuse bzw. den Statorringen beträgt bei Turbomolekularpumpen mit einem Rotordurchmesser von ca. 200 mm - 2 mm. Aufgrund des vorhandenen Spalts strömt ein Teil des gepumpten Gases zurück. Durch diese Rückströmung wird der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe deutlich verschlechtert.Turbomolecular pumps, such as in EP 1 498 612 described, have a rotor connected to a drive shaft rotor with multiple rotor blades. Stationary stator disks are arranged between the individual rotor blades. Often, the stator discs are not directly connected to the pump housing, but supported by stator rings. Here, a stator ring is provided per rotor blade, wherein the stator rings are slipped over the rotor for mounting. There must be a gap between the rotor blades or the rotor blade tips and the stationary housing or the stator rings. This is necessary in all operating conditions to prevent contact between the rotor blades and the stationary components, ie the housing or the stator rings. Here, the width of the gap must be so large that in all operating conditions, the occurring thermal expansion of the rotor blades is possible without touching the stationary components. Furthermore, it must be taken into account in the width of the intended gap that skewing of the rotor can occur due to the rotor dynamics. In particular, with magnetic bearing drive shafts, the deflection must also be taken into account due to the game to the backup bearings. Furthermore, strains of the rotor occur in particular in the radial direction by centrifugal forces. Furthermore, if necessary, adding tolerances be taken into account. The gap between the rotor blades and the housing or the stator rings is in turbomolecular pumps with a rotor diameter of about 200 mm - 2 mm. Due to the existing gap, part of the pumped gas flows back. By this backflow, the efficiency of the turbomolecular pump is significantly deteriorated.

Aus EP 0 770 781 ist eine Seitenkanalpumpe bekannt, die mehrere Seitenkanal-Pumpstufen aufweist, wobei alle Pumpstufen an einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.Out EP 0 770 781 is known a side channel pump having a plurality of side channel pumping stages, wherein all pumping stages are arranged on a common shaft.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbomolekularpumpe zu schaffen, mit der eine Reduzierung des zurückströmenden Gasvolumens und somit eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt werden kann, wobei Kontakte zwischen rotierenden Rotorflügeln und Statorelementen während des Betriebs vermieden werden sollen.The object of the invention is to provide a turbomolecular pump, with which a reduction of the flowing back gas volume and thus an improvement in the efficiency can be achieved, with contacts between rotating rotor blades and stator elements to be avoided during operation.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe weist einen Rotor mit mehreren Rotorflügeln auf. Der Rotor ist mit einer Antriebswelle verbunden und von einem Statorelement umgeben. Das insbesondere zylindrisch ausgebildete Statorelement weist mehrere Statorringe auf. Erfindungsgemäß weist das Statorelement mindestens eine Ringnut auf. Die umlaufende Ringnut ist einem Rotorflügel zugeordnet und in der entsprechenden Flügelebene dieses Rotors angeordnet. Die Ringnut ist somit auf Höhe des zugeordneten Rotorflügels im Betriebszustand angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass eine Ausdehnung des Rotorflügels während des Betriebs in radiale Richtung in die Ringnut hinein erfolgt. Da im Betrieb insbesondere eine radiale Ausdehnung des Rotorflügels aufgrund thermischer Beanspruchungen und aufgrund der auftretenden Fliehkräfte erfolgt, dringt die in Richtung der Ringnut weisende Spitze des Rotorflügels in die Ringnut ein. Hierdurch entsteht eine Art berührungslose Labyrinthdichtung, so dass im Betriebszustand bei in radialer Richtung ausgedehntem Rotorflügel eine Art Selbstabdichtung erfolgt. Zur Montage ist der Innendurchmesser der Statorringe gegenüber dem Außendurchmesser der Rotorflügel in Montagezustand um die Breite eines Montagespaltes größer.The turbomolecular pump according to the invention has a rotor with a plurality of rotor blades. The rotor is connected to a drive shaft and surrounded by a stator element. The particular cylindrical stator element has a plurality of stator rings. According to the invention, the stator element has at least one annular groove. The circumferential annular groove is assigned to a rotor blade and arranged in the corresponding wing plane of this rotor. The annular groove is thus arranged at the level of the associated rotor blade in the operating state. This makes it possible that an expansion of the rotor blade takes place during operation in the radial direction in the annular groove. Since in operation in particular a radial expansion of the rotor blade due to thermal stresses and due to the centrifugal forces occurring takes place, which points in the direction of the annular groove tip of the rotor blade into the annular groove. This creates a kind of non-contact labyrinth seal, so that a kind of self-sealing takes place in the operating state when extended in the radial direction rotor blade. For assembly, the inner diameter of the stator rings relative to the outer diameter of the rotor blades in the assembled state by the width of a mounting gap larger.

Die Abmessungen der Ringnut sind hierbei derart gewählt, dass in allen Betriebszuständen ein Berühren des Rotorflügels sowohl an dem Grund als auch an den Seitenwänden der Ringnut vermieden ist. Da die Spitze des Rotorflügels während des Betriebs der Turbomolekularpumpe in die Ringnut ragt, ist der Spalt an der Spitze des Rotorflügels im Querschnitt U-förmig ausgebildet. Hierdurch ist das Volumen des zurückströmenden Gases erheblich reduziert und somit der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe verbessert.The dimensions of the annular groove are in this case selected such that in all operating conditions touching the rotor blade is avoided both at the bottom and on the side walls of the annular groove. Since the tip of the rotor blade protrudes into the annular groove during operation of the turbomolecular pump, the gap at the tip of the rotor blade is U-shaped in cross-section. This is significantly reduces the volume of the recirculating gas and thus improves the efficiency of the turbomolecular pump.

Da die zu erwartenden, insbesondere auf Grund thermischer Einflüsse hervorgerufenen Ausdehnungen der Rotorflügel in axialer Richtung geringer sind als in radialer Richtung, kann in axialer Richtung eine geringere Spaltbreite vorgesehen sein als in radialer Richtung. Hierdurch kann die Dichtigkeit weiter verbessert werden.Since the expected, caused in particular by thermal influences expansions of the rotor blades are smaller in the axial direction than in the radial direction, a smaller gap width can be provided in the axial direction than in the radial direction. As a result, the tightness can be further improved.

Vorzugsweise weisen die Rotorflügel einen radialen Ansatz auf. Dieser in Richtung der Ringnut weisende Ansatz ist insbesondere ringförmig ausgebildet. Der ringförmige Ansatz umgibt somit die einzelnen Schaufeln der Rotorflügel, so dass vorzugsweise während des Betriebs ausschließlich der ringförmige Ansatz und nicht die Schaufeln in die Ringnut eingeschoben werden.Preferably, the rotor blades on a radial approach. This pointing in the direction of the annular groove approach is particularly annular. The annular projection thus surrounds the individual blades of the rotor blades, so that preferably during operation only the annular projection and not the blades are inserted into the annular groove.

Vorzugsweise ist jedem Rotorflügel eine Ringnut zugeordnet, wobei jeder Rotorflügel vorzugsweise einen ringförmigen Ansatz aufweist. Durch Vorsehen mehrerer Ringnuten für mehrere, insbesondere mindestens zwei Rotorflügel, kann eine weitere Verbesserung der Dichtigkeit erzielt werden. Da in besonders bevorzugter Ausführungsform je Rotorflügel eine Ringnut vorgesehen ist, wird im Betrieb ein mäanderförmiger Spalt ausgebildet, der als berührungslose Labyrinthdichtung dient, so dass eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrads der Turbomolekularpumpe erzielt werden kann.Preferably, each rotor blade is assigned an annular groove, wherein each rotor blade preferably has an annular projection. By providing a plurality of annular grooves for a plurality, in particular at least two rotor blades, a further improvement of the tightness can be achieved. Since, in a particularly preferred embodiment, an annular groove is provided per rotor blade, a meander-shaped gap is formed during operation, which serves as a non-contact labyrinth seal, so that a considerable improvement in the efficiency of the turbomolecular pump can be achieved.

Innerhalb eines Pumpengehäuses sind mehrere Statorringe vorgesehen. Üblicherweise ist je Rotorflügel ein Statorring vorgesehen, wobei die Statorringe in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Die Statorringe sind somit in Richtung der Antriebswelle bzw. in Hauptförderrichtung des Gases hintereinander angeordnet. Je nach Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe ist in einem oder mehreren Statorringen die erfindungsgemäße Ringnut vorgesehen. Vorzugsweise ist in sämtlichen Statorringen eine Ringnut vorgesehen, in die insbesondere der mit den entsprechenden Rotorflügeln verbundene ringförmige Ansatz im Betrieb eindringt. Die Ringnuthöhe ist von den Flügelhöhen abhängig, die von der Einlassseite zur Auslassseite abnehmen (der Verdichtung folgend). Demzufolge variiert die Nuttiefe von ca. 0,5 mm bei kleinen bis ca. 4 mm bei großen Rotoren. Die Nutbreite variiert von 2mm bei flachen Flügeln kleiner Rotoren bis 15 mm bei steilen Flügeln großer Rotoren.Within a pump housing several stator rings are provided. Usually, a stator ring is provided per rotor blade, wherein the stator rings are arranged in the axial direction one behind the other. The stator rings are thus arranged one behind the other in the direction of the drive shaft or in the main conveying direction of the gas. Depending on the configuration of the turbomolecular pump according to the invention, the annular groove according to the invention is provided in one or more stator rings. Preferably, an annular groove is provided in all stator rings, in particular in the associated with the corresponding rotor blades annular approach in operation penetrates. The ring groove height depends on the blade heights decreasing from the inlet side to the outlet side (following the compression). As a result, the groove depth varies from about 0.5 mm for small to about 4 mm for large rotors. The groove width varies from 2mm for flat blades of small rotors to 15mm for steep blades of large rotors.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:

Fig. 1: eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines Teils eines Teils einer Turbomolekularpumpe gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2: eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe, und
Fig. 3: eine schematische vergrößerte Schnittansicht des Bereichs III in Fig. 2.

Show it:

Fig. 1: 1 is an enlarged schematic sectional view of a part of a part of a turbomolecular pump according to the prior art,
Fig. 2: a schematic sectional view of a turbomolecular pump according to the invention, and
Fig. 3: a schematic enlarged sectional view of the area III in Fig. 2 ,

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Turbomolekularpumpe nach dem Stand der Technik ist ein auf einer Antriebswelle 10 (Fig. 2) angeordneter Rotor 12 dargestellt. Der Rotor 12 weist bezogen auf eine Längsachse 14 bzw. die Rotationsachse der Welle 10 radial verlaufende Rotorflügel 16 auf. Jeder Rotorflügel weist Rotorschaufeln 18 auf, die derart geneigt sind, dass in dem zu transportierenden Gas eine Hauptströmungsrichtung parallel zur Längsachse, d.h. in Fig. 1 nach unten in Richtung eines Pfeils 20 erzeugt wird. Der Rotor 12 ist in einem Gehäuse 22 angeordnet, wobei das Gehäuse zur Aufnahme des Rotors eine zylindrische, ggf. abgestufte Ausnehmung 24 aufweist.According to the in Fig. 1 illustrated embodiment of a turbomolecular pump according to the prior art is a on a drive shaft 10 ( Fig. 2 ) arranged rotor 12 is shown. The rotor 12 has, relative to a longitudinal axis 14 or the axis of rotation of the shaft 10, radially extending rotor blades 16. Each rotor blade has rotor blades 18 which are inclined so that in the gas to be transported, a main flow direction parallel to the longitudinal axis, ie in Fig. 1 down in the direction of an arrow 20 is generated. The rotor 12 is arranged in a housing 22, wherein the housing for receiving the rotor has a cylindrical, optionally graduated recess 24.

Ein Teil der Rotorflügel 16 ist von Statorringen 26 umgeben. Die Statorringe 26 sind in Längsrichtung 14 hintereinander angeordnet und kleiden somit eine Innenseite der zylindrischen Ausnehmung 24 des Gehäuses 22 aus. Zwischen benachbarten Statorringen 26 sind in Richtung des Rotors nach innen weisende Statorscheiben 28 vorgesehen. Jede Statorscheibe 28 ist somit zwischen zwei benachbarten Rotorflügeln 16 angeordnet.A part of the rotor blades 16 is surrounded by stator rings 26. The stator rings 26 are arranged one behind the other in the longitudinal direction 14 and thus clothe an inner side of the cylindrical recess 24 of the housing 22. Between adjacent stator rings 26 are facing inwardly in the direction of the rotor Stator discs 28 are provided. Each stator disk 28 is thus arranged between two adjacent rotor blades 16.

Um im Betrieb der Turbomolekularpumpe zu verhindern, dass die radial äußeren Enden der Rotorflügel 16, d.h. die Spitzen der Rotorflügel 16, die Statorringe 26 berühren, ist zwischen den radialen Enden der Rotorflügel 16 und den Innenseiten, d.h. die in Richtung der Rotorflügel 16 weisenden Seiten 30 der Statorringe 26, ein Spalt a ausgebildet. Durch diesen Spalt a strömt während des Betriebs zu förderndes Gas entgegen der Förderrichtung 20 zurück in einen Schöpfraum, aus dem das Gas abgesaugt werden soll.In order to prevent operation of the turbomolecular pump, the radially outer ends of the rotor blades 16, i. the tips of the rotor blades 16 which contact stator rings 26 are between the radial ends of the rotor blades 16 and the inner sides, i. formed in the direction of the rotor blades 16 facing sides 30 of the stator 26, a gap a. Through this gap a gas to be delivered during operation flows counter to the conveying direction 20 back into a suction chamber, from which the gas is to be sucked.

Bei dem nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind identische oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.In the following with reference to Fig. 2 and 3 described preferred embodiment of the invention, identical or similar components are identified by the same reference numerals.

Entsprechend dem Stand der Technik weist auch die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe eine Antriebswelle 10 auf, die den Rotor 12 trägt. Der Rotor 12 weist ebenfalls Rotorflügel 16 auf, die Rotorschaufeln 18 tragen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind ebenfalls Statorringe 26 innerhalb des Gehäuses 22 angeordnet. Ferner sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen benachbarten Rotorflügeln 16 Statorscheiben 28 angeordnet.According to the prior art, the turbomolecular pump according to the invention also has a drive shaft 10, which carries the rotor 12. The rotor 12 also has rotor blades 16 which carry rotor blades 18. In the illustrated embodiment, stator rings 26 are also disposed within the housing 22. Further, 16 stator discs 28 are arranged between adjacent rotor blades in the illustrated embodiment.

Erfindungsgemäß weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel sämtliche Statorringe an ihrer in Richtung des Rotors 12 weisenden Innenseite eine Ringnut 32 auf. Die Ringnut 32 ist in sich geschlossen und erstreckt sich entlang der gesamten Innenseite jedes einzelnen Statorrings 26.According to the invention, in the exemplary embodiment shown, all the stator rings have an annular groove 32 on their inner side pointing in the direction of the rotor 12. The annular groove 32 is self-contained and extends along the entire inner side of each individual stator ring 26.

Die Rotorflügel 16 weisen an den äußeren in Richtung der Statorringe 26 weisenden Enden im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils einen ringförmigen Ansatz 34 auf. Während des Betriebs verschiebt sich der ringförmige Ansatz 34 aufgrund der thermischen Ausdehnung der Fliehkräfte etc. in die entsprechende Ringnut 32.The rotor blades 16 each have an annular projection 34 on the outer ends pointing in the direction of the stator rings 26 in the illustrated embodiment. During operation, the annular projection 34 shifts due to the thermal expansion of the centrifugal forces, etc. in the corresponding annular groove 32nd

Die Ringnuten 32 und die ringförmigen Ansätze 34 befinden sich somit je Rotorflügel auf einer gemeinsamen, in Fig. 3 jeweils horizontal verlaufenden Flügelebene 36, von der in Fig. 3 zur Verdeutlichung nur eine dargestellt ist.The annular grooves 32 and the annular projections 34 are thus per rotor blade on a common, in Fig. 3 each horizontally extending wing plane 36, from the in Fig. 3 for clarity only one is shown.

Der in Fig. 3 obere Rotorflügel 16 ist nicht von einem Statorring umgeben. Um auch hinsichtlich dieses Rotorflügels 16 eine verbesserte Abdichtung zu erzielen, ist in dem Gehäuse 22 eine Ringnut 38 vorgesehen. In die Ringnut 38 ragt im Betrieb wiederum ein Ansatz 34 des oberen Rotorflügels 16.The in Fig. 3 upper rotor blade 16 is not surrounded by a stator ring. In order to achieve an improved seal with respect to this rotor blade 16, an annular groove 38 is provided in the housing 22. In operation, in turn, a projection 34 of the upper rotor blade 16 projects into the annular groove 38.

In einem Zustand, in dem sich die Turbomolekularpumpe nicht im Betrieb befindet und somit auch keine Ausdehnung oder Verschiebungen der Rotorflügel 16 erfolgen, ist zwischen den radialen Enden der Rotorflügel 16 und einer Innenseite der Statorringe 26 ein Montagespalt b vorgesehen. Dieser ist erforderlich, um die Statorringe 26 zur Montage über den Rotor 12 zu stülpen.In a state in which the turbomolecular pump is not in operation and thus no expansion or displacements of the rotor blades 16 take place, a mounting gap b is provided between the radial ends of the rotor blades 16 and an inner side of the stator rings 26. This is necessary in order to put the stator rings 26 over the rotor 12 for mounting.

Claims

A turbomolecular pump, comprising:
a rotor (12) arranged on a drive shaft (10) and having a plurality of rotor vanes (16), and

a stator element surrounding the rotor (12), wherein said stator element comprises at least one surrounding annular groove (32,38) assigned to a respective one of the rotor vanes (16), said annular groove being arranged in the vane plane (36) of the assigned rotor vane (16) and the stator element comprises a plurality of stator rings (26) arranged behind each other in the axial direction (14), said at least one annular groove (32) being provided in one of the stator rings (26),

characterized in

that, in the mounting condition, the inner diameter of the stator rings (26) is larger than the outer diameter of the rotor vanes (16) by the width of a mounting gap, and that the surrounding annular groove (32,38) allows for radial expansion of the rotor vane (16) during operation.
The turbomolecular pump according to claim 1, characterized in that said at least one rotor vane (16) comprises a projection (34) extending radially in the direction towards the annular groove (32,38).
The turbomolecular pump according to claim 2, characterized in that said projection (34) is annular.
The turbomolecular pump according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a plurality of rotor vanes (16) have at least one respective annular groove (32,38) assigned to them.
The turbomolecular pump according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the stator element is formed by a housing (22) in such a manner that said at least one annular groove (38) is provided on the inner side of the housing facing towards the rotor (12).
The turbomolecular pump according to any one of claims 1 to 5, characterized in that each stator ring (26) is connected to a stator disk (28) arranged between two adjacent rotor vanes (16).
The turbomolecular pump according to any one of claims 1 to 6, characterized in that one stator ring (26) is provided per rotor vane (16).
The turbomolecular pump according to any one of claims 1 to 7, characterized in that each stator ring (26) comprises an annular groove (32).